загрузка...
 
11.1  Польові транзистори з керувальними  p-n-переходами
Повернутись до змісту

11.1  Польові транзистори з керувальними  p-n-переходами

ПТ з керувальним p-n –  переходом (ПТУП) виготовляють з кремнієвого кристала n - або p - типу. Схемні позначення ПТУП показано на рисунку 11.1. До таких транзисторів належать прилади: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – транзистори з p - каналом; КП 302, КП 303, КП 307, КП 312 – транзистори з n - каналом. Як бачимо з позначень, низькочастотні ПТУП мають канал p - типу, високочастотні – канал n - типу. Справа в тому, що в p - каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n - типу.

 

а)                               б)

Рисунок 11.1 – Схемні позначення ПТУП з n - каналом (а) і з  p - каналом (б)

Схематично будова ПТУП з p - каналом показана на рис.11.2.

 

Рисунок 11.2 – Схематична будова польового транзистора з керувальним переходом і p - каналом

Транзистор складається з напівпровідникової області p - типу і двох областей n - типу. Останні з’єднуються разом і утворюють керувальний  електрод – затвор. На межах поділу n - областей та p - області виникають високоомні запірні шари – керувальний p-n – перехід. Частина p - області між запірними шарами називається каналом. Під дією джерела напруги  у каналі утворюється поздовжнє електричне поле, яке примушує дірки рухатися до “-”  в напрямі від електрода, що називається витоком, до електрода, який називається стоком. Отже, в каналі і в зовнішньому колі стоку проходить струм стоку  під дією напруги на стоці стосовно витоку . На затвор стосовно витоку подається напруги , яка зміщує p-n – переходи в зворотному напрямі. У колі затвора проходить малий струм .

Приклади конструкції ПТУП зображені на рисунку 11.3        (КП 102) та рисунку 11.4 (КП 103).

 

Рисунок 11.3 – Конструкція КП 102

 

Рисунок 11.4 – Фрагмент структури ПТУП КП 103

У рамках планарної технології (рисунок 11.3) засобом дифузії в приповерхневому шарі кремнієвого кристала типу створюються вузька область типу (канал) і дві високолеговані області p - типу (витік і стік). На ці області наносять  тонку  плівку з алюмінію, до якої припаюють  виводи витоку і стоку.

Поверхню кристала покривають захисним шаром двоокису кремнію (). Затвором служить кристал-підкладка, до якого припаюють вивід  керувального  електрода. Всю конструкцію розміщають у герметичному металевому або пластмасовому корпусі.

Польові транзистори типу КП 103, на відміну від попередніх, мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розташований додатковий затвор 32 (першим затвором 31 є підкладка) – рисунок 11.4. Наявність п’яти каналів і додаткових затворів дозволяє збільшити струм стоку, а також підвищити ефективність керування товщиною каналу, оскільки перекриття каналу відбувається з боку затвора і зверху, і знизу.

Принцип дії ПТУП  розглянемо за допомогою схематичного зображення приладу на рисунку 11.2. При збільшенні напруги , яка містить запірні шари у  зворотному напрямі, ці шари розширяються. Товщина p-n – переходу зростає повністю у бік каналу, оскільки у ПТУП області затвора завжди високолеговані, а канал має низьку концентрацію домішок ( для транзистора з p - каналом). Розширення керувального p-n – переходу приводить до зменшення ширини каналу, зниження його електропровідності і зменшення струму через нього () при незмінній напрузі. Отже, змінюючи напругу на затворі , тобто змінюючи поперечне електричне поле, можна ефективно керувати зміною струму стоку  (величиною внутрішнього опору транзистора.) Це найважливіша властивість польового транзистора в режимі підсилення сигналів. Саме вона зумовлює суттєву відмінність ПТ від біполярних транзисторів, яка полягає в наступному. При зміні вхідної напруги ПТ  змінюється лише поперечне поле, що керує інтенсивністю потоку носіїв через канал. Вхідний струм транзистора – струм затвора  -  практично не змінюється як струм насичення p-n – переходу в зворотному вмиканні. Отже, внаслідок слабкої зміни  при зміні затворної напруги, а також із причини великого вхідного опору ПТ (малого струму ) вважають, що керування вихідним струмом приладу  відбувається не за рахунок зміни вхідного струму, як у БТ, а внаслідок зміни вхідної напруги, як у вакуумному тріоді. Великий вхідний опір усіх ПТ  порівняно з біполярними – це суттєва перевага польових приладів.

Нехай стокова напруга =0. Тоді при зміні  можна досягти повного перекриття каналу внаслідок змикання запірних шарів. Канал у цьому випадку має дуже великий опір, а напруга, при якій це відбувається, називається напругою відсічення ().         Напруга  є важливим параметром ПТУП. Оцінимо її, а також дослідимо вплив напруги  на товщину каналу .

Товщина p-n – переходу, як відомо з першого розділу конспекту, дорівнює

              (11.1)

Оскільки , то , і тоді для зворотної напруги затвора

              (11.2)

Ширину каналу можна визначити згідно з рисунком 11.2 за формулою

          ==,                             (11.3)

де  - відстань між областями затвора.

Як було зазначено, при = канал перекривається (=0). Для цього випадку з формули (11.3) випливає, що

+=.

Наприклад, для ПТУП з  см і  см маємо

+= 6 В.

Оскільки контактна різниця потенціалів  В, то можна вважати, що , і тоді

=.              (11.4)

Використовуючи рівності (11.3) та (11.4), можна одержати аналітичну залежність ширини каналу  від напруги на                   затворі

=.              (11.5)

Оскільки опір каналу обернено пропорційний до його ширини, то існує така залежність

()=,              (11.6)

де () – опір каналу при даній напрузі затвора;

 - опір каналу при =0.

Тепер нехай 0. Напруга, що діє на стоці ПТУП, викликає проходження  через канал і в зовнішньому колі струму . Струм стоку, проходячи через ненульовий розподільний опір каналу, створює на ньому спад напруги (рисунок 11.5).

 

Рисунок 11.5 – До пояснення конфігурації каналу ПТУП при 0

На цьому рисунку вибрано переріз каналу на відстані їх від витоку. Падіння напруги пропорційне до величини опору ділянки каналу і до струму стоку . Таким чином, в перерізі  напруга на переході +, оскільки напруга  має той самий  напрям, що і напруга , і її дія на p-n – перехід еквівалентна дії  додаткової зворотної напруги.

На підставі цього можна одержати залежність ширини каналу від координати , тобто від величини напруги :

()=              (11.7)

Очевидно, що спад напруги при проходженні струму через канал залежить від координати . Так, біля витоку (=0) =0. Біля стоку (=, де  - довжина каналу) =()=. З цього приводу можна вважати, що при ненульовій стоковій напрузі ширина каналу зменшується в напрямі від витоку до стоку згідно з формулою (11.7). Біля стоку ширина каналу мінімальна, оскільки =:

=.                (11.8)

З формули (11.8) випливає, що при проходженні через канал ПТУП струму стоку  опір каналу, а також струм через нього залежить і від напруги , і від напруги .

Розглянемо статичні характеристики ПТУП, які знімають за допомогою схеми рисунку 11.6. На цій схемі досліджуваний транзистор має канал типу.

 

Рисунок 11.6 – Схема для експериментального зняття характеристик ПТУП

Не потрібно забувати, що при дослідженні транзистора з каналом типу полярності під’єднання джерел живлення і вимірювальних приладів треба змінити на зворотні.



загрузка...